文/宣大卫
【作者按】
分子生物学（Molecular Biology）是以分子的眼光看生物，或剖析生命现象到分子的层次。生物化学则专注于探讨生物体内的化学反应与变化。因此，分子生物学与生物化学两者密不可分。
生物化学，历史久远得多，常以法国科学家安塞姆·佩恩（Anselme Payen），在1833年首次分离出淀粉水解酶（Amylase）并确认其功能（分解淀粉成为糖分子），作为开启生物化学的里程碑。所谓的“Enzyme”酶（或称为酵素），是催化加速化学反应的蛋白质，也是生物体内化学反应不可或缺的关键角色，没有它，就不可能有生命现象。
分子生物学，则萌芽于约百年后对基因的探讨，因此又被称为基因分子生物学。常以1953年，在英国剑桥实验室（现称为 MRC Laboratory of Molecular Biology）的弗朗西斯·克里克（Francis Crick）及詹姆斯·沃森（James Watson），解开了DNA分子的双螺旋结构（Double Helix Model of DNA），为其关键里程碑。
本文尝试浅显地为您解说分子生物学的主要发现，及它对解开生命奥秘的启示。
精妙的基因与蛋白质
地球上的所有生物，都有两种基本特性：一是能进行新陈代谢、自外界获取能量，以开展各种生命现象与活动；二是能自我复制、透过有性或无性生殖、不断地繁延自我、代代相传。分子生物学的主要发现、生命现象的基石，可以用“分子生物学的中心法则”来说明（图1）。
图1
简要来说，生命现象的根源在于基因的存在。基因是生物体的遗传密码，大多为DNA的型式（极少数为RNA分子，如COVID-19）；要发挥生理功能，DNA分子需先透过转录作用和转译作用，形成参与各种生命现象、发挥生理功能的蛋白质分子。
此外，DNA分子也有自我复制作用，而且从基因到蛋白质的每一个环节，都还有极为精致的调控，来应对生物体的各种需求。据说，在1960年至2010年的50年间，是人类文明史上少有的黄金年代。所有生命现象的关键，几乎都于此时定调，包括：
1、世上具代表性的各种生物，都完成了基因体DNA定序（Genome Sequencing）；人类基因体计划（Human Genome Project）自1990年开始，2003年完成初稿，直至2022年初，才补齐了Y染色体DNA定序，人类对自我的认识迈进了一大步；
2、透过母系遗传的线粒体DNA，及父系遗传的Y染色体DNA的定序与族群分析，分子人类学家认为人类共同的祖先，约于20万年前起源于非洲，称之为“线粒体夏娃”（有关人类起源假说中，仅有此具备现代科学数据）；
3、几乎所有的人类蛋白质药物（如生长激素、干扰素），都已借着基因工程，利用细菌、酵母等低等生物，完成了量产、造福了人群；
4、许多人类遗传性及传染性疾病（如冠状病毒），都可借着检测DNA加以确认，甚至还尝试了治疗遗传疾病的基因疗法；
5、高等生物细胞，除了能自我复制，还有细胞自噬（Autophage）及凋亡（Apotosis）两种机制，来进行自我更新。自噬是将受损的细胞器、错误折迭的蛋白等，送至细胞内的溶酶体（Lysosome）降解。细胞凋亡则是细胞主动实施的计划性死亡，在凋亡过程中细胞缩小，DNA被核酸内切酶（Restriction Enzymes）降解；
6、许多重要的基因转录与转译作用，都有赖于精巧的调控机制，它们都被深入地研究探讨，结果充分显示出生命现象的复杂性，及其背后可能的超自然的精密设计。
以上这些事例，都在提醒我们生命绝非偶然的产物，更非进化而来，而是出于创造主精心地设计与创造。正如圣经中所述：“自从造天地以来，上帝的永能和神性是明明可知的，虽是眼不能见，但藉着所造之物就可以晓得，叫人无可推诿。”（《罗马书》1:20）
太多的未知是无解的难题
作为一名专业的生物科技工作者，从生化到分子生物，从基因工程到蛋白体研究，笔者一直都认为生命现象奇妙无比，也一直都觉得人类能懂得的实在十分有限。有时猜想大科学家爱因斯坦的名言“I know one thing, that’s I know nothing”（我知道一件事，那就是我什么都不知道），可能并非他的自谦之词，而是肺腑之言。
看看在每个分子生物实验室，常被作为模式生物的大肠杆菌（E. coli），它的基因体共约460万的每个碱基对（base pair，简称bp），我们都知道得清清楚楚，但仍有1/3的基因至今仍不知其功能为何。这只是冰山一角，太多的未知是人类必需承认的无解的难题。
华人常说“人为万物之灵”，相信人是天下生物中最复杂、最灵巧的。从基因体的大小来看，人类基因体有32亿bp，果真远超过了大肠杆菌的bp数值（图2）。但是比起一种叫衣笠草的小花的1490亿bp，及无恒变形虫的6700亿bp，却又小巫见大巫。
图2
难怪智慧如所罗门王，早在3000年前，就心领神会地写道：“神造万物，各按其时成为美好，又将永生安置在世人心里。然而上帝从始至终的作为，人不能参透。”（《传道书》3:11）身为受造者，人怎可明白造物主呢？怎能明白上帝的奇妙大工呢？
世上最小的生命个体
猪肺炎霉浆菌（Mycoplasma hyopneumoniae），曾是笔者返台后首遇的研究对象。因为霉浆菌没有细胞壁、个头又小（有如大号的病毒），如感染人类生殖泌尿道的Mycoplasma genitalium霉浆菌，其基因体只有58万 bp，约为大肠杆菌460万bp的1/8 （图3）。
图3
所以早在1984年，耶鲁大学分子生物物理系的Morowitz HJ就提出“最小单元格”（Minimum Cell）的想法，希望在霉浆菌中，寻找基因体最小的生物，探索世上最基本的生命形式 [1]。
经过多年努力，到了2016年，专项研究取得了总结性的成果 [2] [3]。如图3所示（此图最右侧一栏Total-NE，意为Total全部基因、减去NE非必要基因，亦可以Total E、所有必要的基因来表达）：这个目前所知世上最小的“新生命个体”，它的基因体仅为53.1万 bp，共有473个基因，其中有48个基因为非必要，425个基因是必要基因。
经过约30年的努力，科学家们发表了约2000篇论文，让我们看见连这世上最小的生命个体，都需要如此多的必要基因（425个）、如此多量身订制的维生本钱。我们只能惊叹生命如此精致，并思索它们来自何方？
不但如此，上述那些DNA基因及功能蛋白质大分子，都有本文并未触及的、既复杂又精准的3D结构；它们还都非常娇贵。周遭环境的温度、酸碱度、离子浓度，都必需适宜，否则它们可能罢工，甚至崩解。最小的生命个体，除了上述那些DNA基因及功能蛋白质大分子，还都需要有细胞膜帮助形成生命个体。没有细胞膜（其组成亦受基因控制）、将细胞内物质与外界隔离，上述只能成了一锅粥。此外，还不能痴痴地等着那漫长的演化过程，将之一一拼凑出来。基因、功能蛋白质大分子、细胞膜，必须三合一，同时具备、同时存在，才可能造就出一个世上最小的生命个体。
结语
综合人类在生命科学领域的努力，对生命现象的了解，在21世纪的今天，已经达到了顶峰。分子生物学能启示给世人的，简而言之，就是：世上任何一个生命个体，都充满了奇妙的设计，而且是在剎那间、无中生有、说成就成，远超过人类的智慧与想象。
所以，“创造”已经成为解释生命形成的唯一选项。笔者在分子生物科学领域晃荡了40年，常能感受到生命现象之奇妙，也常能从内心深处发出赞叹。
作者专业背景介绍：作者毕业于台湾淡江大学及纽约州大化学系，获得PhD。后在斯坦福大学研习基因分子生物，曾于加州Cetus公司（当年全美第二大生技公司）担任研究员，负责在链霉杆菌中表达可能激发人类免疫反应的介白素（Interleukin-2）蛋白药物。1988年返台，加入台北生物技术开发中心，从事基因重组生产色胺酸及猪肺炎霉浆菌DNA分子疫苗的研发。
注：
[1]. Morowitz HJ. 1984. The completeness of molecular biology. Israel J Med Sci . 20: 750-753.
[2]. Hutchison CA, Chuang RY, Noskov VN, Assad-Garcia N, Deerinck TJ, Ellisman MH, Gill J, Kannan K, Karas BJ, Ma L, et al. 2016. Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science 351: aad6253.
[3]. John Glass, Chuck Merryman, Kim Wise, Clyde Hutchison, and Hamilton Smith. 2017. Minimal Cells-Real and Imagined (Review). Cold Spring Harb Perspect Biol. 9(12): a023861.
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